## CAKRAM
Jurnal Teknik Mesin:

## MONITORING PROSES PENYAMBUNGAN DUA LOGAM MENGGUNAKAN METODA ULTRASONIK
M. Rosyid Ridlo 1
1 Pusat Riset Metalurgi dan Material Badan Riset dan Inovasi Nsaional
1 Prodi Teknik Informatika , FakultasTeknik , Universitas Pamulang
E-mail : rosyid325@gmail.com
Masuk : 29 Januari 2022
Direvisi :  18 Februari 2022
Disetujui : 26 Maret 2022
Abstrak : Penggabungan ( joining ) dua material dapat dilakukan baik secara mekanik, kimia ataupun fisika. Bonding adalah salah satu bentuk joining yang di dalam prosesnya terjadi difusi molekul dari salah satu permukaan material ke permukaan material yang lain (proses fisika). Fenomena difusi ini menghasilkan apa yang disebut sebagai lapisan antar  muka  ( interface  layer ). Telah  dilakukan monitoring / pengamatan  secara  in  situ  proses bonding antara  logam Cu dengan SnBi menggunakan metoda ultrasonik dengan cara memancarkan gelombang ultrasonik ke arah tempat terbentuknya interface  layer .  Dari  karakteristik  gelombang  pantul  dari  interface  layer  dapat  dievaluasi  kualitas bonding selama proses. Waktu lama proses bonding tiap sampel dipilih mulai dari 15, 30, 45 dan 60 menit. Karena eksperimen  dilakukan  pada  suhu  180 0 C  perlu  batangan  stainless  steel  sebagai  pandu  gelombang  ( wave  guide ). Pandu  gelombang  in  diletakkan  anatara  objek  pengamatan  dan  transduser  ultrasonik.  Dari  hasil  FFT  terdapat pergeseran  pada  puncak  puncak  gelombang  pantul  dari  interface  layer.  Pergeseran  tersebut  kemudian  dianalisis mengunakan  metoda  sub  space.  Sebagai  hasil  analisis,  ketebalan  lapisan  interface  layer  dapat  direpresentasikan dengan dua komponen mayor.
Kata kunci : ultrasonik, bonding, interface layer, FFT
Abstract:  Joining  two  material  can  be  done  either  by  mechanical,  chemical  or  physical  .  Bonding  is  one  of  the joiningform in which in the process occurs   the diffusion of molecules from one surface material to the surface of another material ( physical processes ) . This diffusion phenomenon produces what is called interfacial layer .In situ observation/  monitoring  of  bonding  process  metal  Cu  with  SnBi  was  carried  out  using  ultrasonics  method.  The reflection wave characteristic from formed interface layer can be evaluated the bonding quality during process. The process bonding time every sample was from 15,30,45 and 60 minute. Because the experiment was set at 1800 C, it is needed stainless steel rod as waveguide. The waveguide was put between the observation object  and ultrasonics transducer.  From  the  FFT  data,  there  are  reflection  wave  peaks  translation  from  the  interface  layer.  The translations  then  be  analysed  using  sub  space  method.  As  the  analysis  results,  the  thick  of  interface  layer  can represanted by two major components.
Keywords: ultrasonics, bonding, interface layer, FFT.

## PENDAHULUAN
Penggabungan ( joining ) dua material umum dilakukan di industri manufaktur. Joining dapat dilakukan baik secara mekanik, kimia ataupun fisika[1]. Bonding adalah salah satu cara joining yang di dalam prosesnya terjadi difusi  molekul  dari  salah  satu  permukaan  matrial  ke  permukaan  material  yang  lain[2].  Fenomena  difusi  ini menghasilkan apa yang disebut sebagai lapisan antar muka ( interface layer ). Dengan metoda ultrasonik kualitas bonding  dapat  dievaluasi  dari  karakteristik  gelombang  pantul  terhadap  interface  layer.  Evaluasi  sambungan tersebut dilakukan setelah proses bonding selesai dan ini sudah banyak dilakukan oleh peneliti peneliti lainya [3] . Dalam penelitian ini untuk pertama kalinya  dilakukan monitoring secara langsung ( in situ ) selama proses bonding menggunakan metoda ultrasonik . Proses bonding dilakukan dengan metoda welding . Kedua logam ditempelkan pada  suhu  tertentu  hingga  terbentuk  lapisan  antar  muka  (  interface  layer)  pada  kedua  permukaan  logam  yang bertemu.  Ketika proses bonding dilakukan , gelombang ultrasonik dipancarkan ke arah interface layer . Pantulan gelombang dari interface layer ini kemudian dianalis untuk mengetahui kualitas bonding . Monitoring langsung ini juga diharapkan dapat untuk menentukan berapa lama waktu proses bonding yang efektif. Dua material joining yang digunakan adalah Cu dan Sn Bi yang memiliki suhu eutectic sekitar 230 o C[4]. Suhu ini relatif cukup tinggi, sehingga dalam eksperimen digunakan pandu gelombang ( waveguide ) yang diletakkan di antara objek material dengan transduser ultrasonik [5]. Dengan begitu transduser tidak mendapatkan panas yang berlebih. Suhu yang terlalu tinggi dapat merusak unjuk kerja transduser.

## METODOLOGI
Set up eksperimen diperlihatakan pada gambar 1. Objek material yang di bonding diletakkan di atas hot plate .  Objek  berupa  dua  plat  Cu  yang  di  antara  keduannya  diletakkan  logam  SnBi.  Akibat  pemanasan sedikit  di  bawah  suhu  eutektik  yaitu  sekitar  180 0 C,  logam  SnBi  akan  meleleh  dan  molekul  SnBi  akan bergerak  ke  permukaan  logam  Cu  membentuk interface  layer .  Di  atas  logam  Cu  bagian  atas  diletakkan pandu  gelombang  yang  merupakan  jalan  jalar  gelombang  ultrasonik  dari  transduser.  Grease  diletakkan dibawah  pandu  gelombang  sebagai  medium  rambatan  gelombang  ke  logam  Cu  untuk  mengatasi  rongga udara yang menghambat gerak gelombang ultrasonik. Gelombang ultrasonik yang digunakan berfrekwensi 10 MHz dengan diameter probe 10 mm.
Gambar 1. Set up eksperimen
Pandu  gelombang  bergentuk  silinder  dengan  diameter  10  mm  panjang  50  mm  terbuat  dari  bahan stainless  steel  (SKD  11-standar  JIS)  dan  koefisien  attenuasi  25  db/m.  Untuk  mengurangi noise pada  sisi permukaan nya dibuat alur alur menggunakan mesin bubut. Hal ini dimaksudkan agar gelombang ultrasonik yang mengenai sisi tidak seluruhnya terpantul kembali tapi akan dihamburkan (gambar 2 dan 3).
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2022 M. Rosyid Ridlo, Monitoring Proses Penyambungan Dua Logam Menggunakan Metoda Ultrasonik
Gambar 2. Bentuk sinyal ultrasonik sebelum dibuat alur-alur
Gambar 3. Bentuk sinyal ultrasonik setelah dibuat alur-alur
Proses  bonding  dilakukan  dengan  lama  waktu  mulai  15,30,45  hingga  60  menit  dengan  masing  masing dilakukan  sebanyak  10  sample.  Data  data  ini  kemudian  dianalisis  dengan  menggunakan  FFT  ( fast  forier transform )  dan  metoda  analisis  komponen  utama[6].  Hasilnya  kemudian  dibandingkan  dengan  citra interface layer dengan mikroskop optik.

## Metoda analisis komponen utama ( priciple component analysis)
Mula mula ditentukan Fungsi transfer yang didefinisikan perbandingan intensitas spektrum forier pada awal dengan akhir proses.
𝐹(𝑤) = 20 log 𝐼 (𝑤 𝑖 ) 𝑡 𝐼 /𝐼 (𝑤 𝑖 ) 0 (1)
Intensitas F(w) ini diukur pada interval  w = 0,25 MHz pada zona frekwensi 7 hingga 12,25 MHz atau fungsi  tranfer  ini  dibagi  atas  21  kolom.  Dari  sini  dapat  diperoleh  transpose  dari  F(w)  yaitu  F T (w). Selanjutnya dibuat matrik R yang didefinisikan.
𝑅 =   ∑ 𝐹(𝑤).  𝐹 𝑇 (𝑤)                                 (2) 𝑛

## 𝑛−1
Dengan  n  adalah  total  sampel.  Nilai  dan  vektor  Eigen  dapat  dihitung  dari  solusi  persamaan  vektor berikut:

## 𝑅 𝑋 =  𝜆 𝑋                                                      (3)
Nilai Eigen 𝜆 ditentukan berdasar magnitut nya: 𝜆 1 adalah eigen vektor terbesar, 𝜆 2 kedua terbesar dst. Vektor  eigen  yang  berkait  dengan  nilai  eigen  terbesar  merefleksikan  lebih  dari  himpunan  distribusi frekuensi asal. Untuk memperoleh himpunan eigen vektor minimum nilai fidelity k(p) didefinisikan sebagai rasio jumlah eigen vektor pertama dengan jumlah nilai eigen total. Lalu fungsi transfer diproyeksikan pada dua vektor eigen. Selanjutnya koordinat Pn dan Pm ditentukan sebagai berikut:
𝑃 𝑛 = (𝑇(𝑤) . 𝑒𝑖𝑔𝑒𝑛 𝑣𝑒𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑘𝑒 𝑛)
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2022 M. Rosyid Ridlo, Monitoring Proses Penyambungan Dua Logam Menggunakan Metoda Ultrasonik
𝑃 𝑚 = (𝑇(𝑤) . 𝑒𝑖𝑔𝑒𝑛 𝑣𝑒𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑘𝑒 𝑚)
𝑑𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑇(𝑤) = 𝑅 𝑇
Pn dan Pm diartikan merupakan komponen fungsi transfer ke n dan m.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Jika dilihat melaui osiloskop dalam domein waktu mulai dari menit ke 0 hingga ke 60 tampak perubahan sinyal tidak dapat teramati dengan jelas (gambar 4). Akan tetapi ketika gelombangl ditransformasikan ke domain frekuensi  melalui  program Fast  Forier  Transform (FFT)  perubahan  tersebut  akan  terlihat.  (gambar  5).  Pada gelombang tersebut disamping terjadi sedikit perubahan bentuk juga mengalami pergeseran diantara puncak nya. Pergeseran terjadi baik kearah kanan atau kiri. Ini dapat dimengerti saat interface layer terbentuk dasar tembaga mulai  meleleh  dan  dapat  merefleksikan  sinyal  dalam  arah  yang  acak  [2]  .  Namun  rata  rata  untuk  waktu penyambungan yang lebih lama jarak pergeseran makin besar. Ini dapat terlihat dengan jelas dari spectrum fungsi frekuensi. Untuk waktu 60 menit undulasi spektrumnya lebih lebar dari pada waktu yang lebih kecil (gambar 6).
Gambar 4. Pengamatan gelombang ultrasonik dalam domain waktu
Gambar 5. Tipikal hasil FFT dari gelombang terpantul dari interface layer
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2022 M. Rosyid Ridlo, Monitoring Proses Penyambungan Dua Logam Menggunakan Metoda Ultrasonik
Gambar 6. Spektrum fungsi transfer
Fungsi  transfer  hasil  FFT  diperlihatkan  pada  gambar  6.  Dari  hasil  urutan  10 vector  eigen yang  terbesar diperoleh komponen ke 7 dan ke 9 memiliki nilai mendekati nilai rata rata eksperimen (gambar 7 dan 8).
Gambar 7. Hubungan antara komponen ke 7 dengan waktu penyambungan
Gambar 8. Hubungan komponen ke 9 dengan waktu penyambungan
Sedangkan ketebalan interface layer sebanding dengan waktu penyambungan dapat dituliskan sebagai:
𝛿 = aP(𝑡) 7 + bP(𝑡) 9 + 𝑐 𝑑𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑎, 𝑏, 𝑐 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎                     (4)
Karena nilai 𝛿 , P(𝑡) 7 , P(𝑡) 9 didapat dari eksperimen maka melalui analisis regresi[7] diperoleh nilai a,b dan c masing masing –0,021, 0,19 dan 2,01. Ketebalan ini kemudian dibandingkan dengan ketebalan hasil pengukuran (gambar 9). Standar deviasi kurva sebesar 0,4875 𝜇 m yang lebih besar dari pada pengukuran eksperimen yang 0,109 𝜇 m.  Perbedaan  ini  diperkirakan  karena  waveguide  tidak  mampu mendeteksi  ketebalan  pada  area lapisan interface yang lebih presisi. Gambar 10 merupakan citra interface layer dilihat menggunakan mikroskop optik. Tampak dari grafik ini sccara kalkulasi (gambar 9)  waktu bonding yang lebih lama menghasilkan interface layer yang lebih tebal. Data ini sesuai dengan hasil pengukuran secara manual dengan mikroskop optik.
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2022 M. Rosyid Ridlo, Monitoring Proses Penyambungan Dua Logam Menggunakan Metoda Ultrasonik
Gambar 9. Hubungan antara ketebalan yang terukur dengan ketebalan yang dihitung dari analisis dua komponen (a) (b)
Gambar 10. Citra interface layer melalui mikroskop optik dengan waktu penyambungan 15 menit(a) dan 60 menit (b)
Hasil  di  atas  sesuai  dengan penelitian  sebelumnya  yang dilakukan  peneliti lain  yang   menunjukkan  untuk waktu  bonding  yang  lama  menghasilkan  pertumbuhan  lapisan    interface  yang  lebih  tebal.  Pada  penelitian penelitian tersebut evaluasi dilakukan baik menggunakan metoda tak merusak, non destructive  testing [8] maupun yang tak merusak [9,10]. Meskipun dalam hal ini jenis logam yang disambung tidak persis sama dengan yang dilakukan di penelitian kali ini.

## KESIMPULAN
Perubahan bentuk gelombang ultrasonik terpantul dari lapisan interface teramati selama proses joining. Juga spektrum forier gelombang tersebut tergantung pada waktu penyambungan. Untuk waktu yang lebih lama profil spektrum menunjukkan iregularitas yang lebih besar.Ketebalan lapisan interface dapat direpresentasikan dengan dua  mayor  komponen  melalui  analisis  metoda prinsiple  component  analysis . Waktu  bonding  yang  lama menghasilkan pertumbuhan lapisan  interface yang lebih tebal

## UCAPAN TERIMA KASIH
Diucapkan  terimakasih  kepada  Prof.  Kato  Hiroshi  dari  Universitas  Saitama  Jepang  atas  segala  konsultasi yang berharga dan penyediaan fasilitas laboratorium .

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Sankar, H. R., Adamvalli, M., Kulkarni, P. P., & Parameswaran, V. (2015). Dynamic strength of single  lap  joints  with  similar  and  dissimilar  adherends. International  Journal  of  Adhesion  and Adhesives , 56 , 46–52. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2014.07.014
[2] Brandon, D., & Kaplan, W. D. (1997). Joining Processes: An Introduction . Wiley.
[3]  Elena  Jasiūnienė ,et  al  (  2019). Ultrasonic  non-destructive  testing  of  complex  titanium/carbon fibre composite joints , 95:13-21 /https://doi: 10.1016/j.ultras.2019.02.009. Epub 2019 Feb 28 [4] Artur Kudyba (2016). Perspectives and directions of the development of new generation lead-free soldering  alloys  and  their  application  possibilities  in  the  consumer  electronics  lead-free soldering technology , Norwegian University of Science and Tech, DOI:10.7356/iod.2016.17 [5] Kazys, R., Sliteris, R., Rekuviene, R., Zukauskas, E., & Mazeika, L. (2015). Ultrasonic Technique for Density Measurement of Liquids in Extreme Conditions . Sensors , 15 , 19393–19415.
[6]  Ian  T.  Jolliffe  and  Jorge  Cadima.(2016). Principal  component  analysis:  a  review  and      recent developments , Phil.Trans.R.Soc.A374:20150202.http://dx.doi.org/10.1098/rsta.2015.0202 [7] S.N. ALAM et al ( 2015), Effect of Ag on Sn–Cu and Sn–Zn lead free solders , Materials Science- Poland, 33(2), 2015, pp. 317-330 DOI: 10.1515/msp-2015-0048
[8] Suresh Kumar,et al (2015). An Evaluation of Quality of Joints in Two Dissimilar Metals Diffusion Bonded Using Ultrasonic . Materials and Manufacturing Processes 31(16)
DOI:10.1080/10426914.2015.1127957
[9]Eskandar  F  et  al  (2017). Effect  of  Dwell  Time  on  Joint  Interface  Microstructure  and  Strength  of Dissimilar Friction Stir Spot-Welded Al-5083 and St-12 Alloy Sheets . Metallurgical and Materials Transactions A 48(4) DOI:10.1007/s11661-017-3971-7
[ 10 ] A.J  Saad  et  al (2014). Behavior  at Interface  of  Dissimilar  Metals  Joint  between  Aluminum  and Carbon Steel Joint Using Element Promoter . Modern Applied Sciences,8(5):1-8